1971—2018 年西藏極端氣溫時空變化特征

胡文淵，李治國，姚榮鵬，趙靜靜，范蕊誼

（1.云南師范大學地理學部，昆明 650500；2.商丘師范學院測繪與規劃學院，河南 商丘 476000；3.西北師范大學地理與環境科學學院，蘭州 730070）

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告指出近百年時間全球地表溫度升高了約0.9 ℃［1］。升溫引發極端氣候事件增多，對生態環境以及人類的生產生活帶來日益增加的不利影響［2，3］。目前，極端氣候變化在世界范圍內引發廣泛關注，許多學者對全球極端氣溫開展了大量的研究，如Song 等［4］通過研究全球1981—2010 年的極端溫度事件，發現全球熱浪發生頻率增加了2.7 倍，而寒流事件的發生頻率增加了 6.4 倍。Alexander 等［5］的研究表明，全球大多數地區表現出冷夜逐漸減少而暖夜逐漸增加的趨勢。中國極端氣溫變化總體上與全球極端氣溫變化趨勢一致，但由于受區域自然環境狀況、大氣環流背景和人為活動影響的不同，不同區域的極端氣溫呈現出不一致的變化趨勢和分布格局［6］。高海拔地區對氣候變化敏感，近年來已先后開展了黃土高原［7］、內蒙古［8］、貴州［9］等地區的研究。西藏位于中國西南邊陲，平均海拔4 000 m 以上，是全球變暖最強烈的地區，導致水資源和水災害風險增加，影響全球氣候變化和水循環［10］。因此，開展西藏極端氣溫變化研究具有重要的科學價值和現實意義。

近年來對西藏氣溫變化的研究多集中于平均狀態，而針對極端氣溫變化的研究較少。近期僅楊志剛等［11］開展了1961—2012 年西藏色林錯流域和杜軍等［12］進行了1971—2012 年珠穆朗瑪峰地區的研究，但近幾年西藏的冰川、湖泊變化強烈，災害事件增加［10］，因此，有必要在全球變化背景下對西藏極端氣溫時空變化特征及演變規律進行深入的分析，旨在為應對當地氣候變化和氣象災害提供參考依據。本研究利用1971—2018 年西藏22 個氣象站的數據，采用國際ETCCDI 推薦的12 種極端氣溫指標，結合 Pearson 相關性分析、Mann-Kendall 檢驗、Krig?ing 插值等方法，分析了西藏極端氣溫指標（冷指標和暖指標）的時空變化特征，以期為西藏農牧業生產、經濟社會發展及災害預警提供決策參考。

1 研究區概況

西藏（78°25′—99°06′E，26°50′—36°53′N）位于中國的西南部，是青藏高原的主體部分。平均海拔在4 000 m 以上，地域遼闊，地形地貌復雜多樣，擁有獨特的高原氣候［13］。本研究選取了西藏22 個氣象站點為研究對象，氣象站點如圖1 所示。

2 數據與方法

2.1 極端指標定義及其分類

對極端氣溫指標的定義和計算采用世界氣象組織委員會提出的16 個極端氣溫指標，由于西藏氣溫較低，故從中選取了以下12 個極端氣溫指標對西藏極端氣溫事件進行研究，詳見表1。

表1 極端氣溫指標選取與定義

2.2 數據來源與處理

1971—2018 年西藏22 個氣象站點逐日最高氣溫、最低氣溫等數據來源于中國氣象科學數據共享服務網，已經過嚴格的質量檢驗和修正。對于個別缺失的數據采用均值插值方法，即使用前后2 d 平均值或者多年平均值進行插補，校正后與相鄰站點數值進行對比［14，15］，確保經過處理修正后的氣象數據具有很好的連續性和合理性。

2.3 研究方法

極端氣候指標計算方法采用基于R 編輯器開發的RClimDex（1.0）軟件。在分析各極端氣溫指標時間尺度變化趨勢時，利用線性方程對序列變量進行擬合［16］。對于突變檢驗分析，采用Mann-Kendall（M-K）突變檢驗對極端氣溫指標的變化趨勢進行顯著性檢驗，結合滑動t檢驗對各指標進行突變型分析［17］。同時采用年代距平的方法直觀地反映各極端氣溫指標的年際變化。在分析各極端氣溫指標空間尺度變化趨勢時，采用Surfer 13.0 軟件并結合Kriging 插值法繪制西藏氣溫指標變化趨勢空間分布圖，采用Pearson 相關性分析方法結合t檢驗分析各極端氣溫指標與經度、緯度和海拔的相關性。

3 結果與分析

3.1 極端氣溫指標時間變化特征

3.1.1 極端氣溫指標年際變化特征 圖2 為各極端氣溫指標的年際變化特征。由圖2 可知，冷晝日數、冷夜日數、冰凍日數和霜凍日數整體呈下降趨勢，其變化速率分別為-3.20、-4.79、-3.23、-4.96 d/10 年（圖2a、圖2b、圖2c、圖2d）；日最高氣溫極小值和日最低氣溫極小值整體呈上升趨勢，其變化速率分別為 0.33、0.56 ℃/10 年（圖2e、圖 2f）。對于極端高溫而言，暖晝日數、暖夜日數、夏日日數、日最高氣溫極大值和日最低氣溫極大值整體呈上升趨勢，其變化速率分別為 3.39 d/10 年、5.02 d/10 年、1.21 d/10 年、0.21 ℃/10 年和 0.34 ℃/10 年（圖 2g、圖 2h、圖 2i、圖2k、圖2l）；氣溫日較差呈下降趨勢，其變化速率為-0.10 ℃/10 年（圖 2j）。其中，冷晝日數、冷夜日數、冰凍日數和霜凍日數均值分別為15.00、16.35、31.86、198.22 d，其最大值與最小值分別相差25.48、28.89、47.41、16.27 d。日最高氣溫極小值和日最低氣溫極小值均值分別為-4.59 ℃和-20.61 ℃，其最大值與最小值分別相差6.73 ℃和7.41 ℃。暖晝日數、暖夜日數、夏日日數均值分別為16.56、16.27、10.66 d，其最大值與最小值分別相差31.63、27.92、16.55 d。氣溫日較差、日最高氣溫極大值和日最低氣溫極大值均值分別為13.78、23.88、10.88 ℃，最大值與最小值分別相差27.69、3.02、2.26 ℃。在48 年當中，冷晝日數、冷夜日數和暖晝日數、暖夜日數的變化相差不大，而日最高氣溫極小值和日最低氣溫極小值變化大于日最高氣溫極大值和日最低氣溫極大值，氣溫日較差在1971—2018 年變化較大，相差27.69 ℃。

3.1.2 極端氣溫指標突變檢驗 氣候突變指的是氣候從常態轉變為不連續的一種氣候變化［18］，依據突變原理對1971—2018 年西藏極端低溫進行Mann-Kendall 突變檢驗分析，結果如圖3 所示。冷夜日數的UF 和UB 曲線交點在臨界點外側，說明冷夜日數在48 年間不存在突變點（圖3b）。而冷晝日數、冰凍日數、霜凍日數、日最高氣溫極小值和日最低氣溫極小值UF 和UB 曲線交點均處于臨界點內側，這些指標發生突變的年份分別為2000 年、2006 年、1995 年、1998 年和1996年（圖3a、圖3c、圖3d、圖3e、圖3f）。對于極端高溫指數暖夜日數而言，UF和UB曲線交點也在臨界點外側，和冷夜日數同樣在48年間不存在突變（圖3h）。而暖晝日數、夏日日數、日最高氣溫極大值UF和UB曲線交點均處于臨界點內側，這些指標發生突變的年份分別為2003 年、2002 年、1987 年（圖 3g、圖3i、圖3k）。氣溫日較差突變年份發生較早，為1977 年（圖 3j）。日最低氣溫極大值的 UF 和 UB 曲線交點緊鄰臨界點，其突變年份為1998 年（圖3l）。

3.1.3 極端氣溫指標年代距平 極端低溫指標的變化大致以21 世紀初為界，極端高溫指標的變化大致以2006 年為界，極端低溫變化年份早于極端高溫變化年份，且極端低溫指標的變化趨勢較為明顯。極端氣溫指標總體上反映了西藏氣溫呈升高趨勢。

以21 世紀初為界，冷晝日數、冷夜日數、冰凍日數和霜凍日數在1971—2018 年距平分為2 部分，前期大多數為正距平，后期變化特征與前期大致相反（圖4a、圖4b、圖4c、圖4d）。在1971—2018年日最高氣溫極小值和日最低氣溫極小值同樣以21世紀初為界，大致也分為2部分，前期大多數為負距平，后期多為正距平（圖4e、圖4f）。以2006 年為界，暖晝日數、暖夜日數、夏日日數以及日最低氣溫極大值在1971—2018 年大致分為2 部分，前期多為負距平，后期多為正距平（圖4g、圖4h、圖4i、圖4l）。氣溫日較差以1987年為界，前期多為正距平，后期多為負距平（圖4j）。日最高氣溫極大值僅在2013年以后正距平趨勢較突出，在此期間氣溫日較差有增大的趨勢（圖4k）。

3.1.4 極端氣溫指標四季變化特征 西藏極端氣溫指標季節變化趨勢經檢驗可知（表2），冷晝日數、冷夜日數、暖夜日數、日最高氣溫極大值、日最低氣溫極大值、日最高氣溫極小值和日最低氣溫極小值在1971—2018 年各季節均通過了極顯著性檢驗（P<0.01），暖晝日數在夏、冬季和春、秋季分別通過了P<0.01 和P<0.05 的檢驗，氣溫日較差在春、夏季變化均為極顯著（P<0.01），而秋、冬季節變化未通過顯著性檢驗。

3.2 極端氣溫指標空間變化特征

3.2.1 極端氣溫指標空間變化 由1971—2018 年西藏極端低溫指標空間差異可以看出，6 個指數呈不同程度的變化（圖5a、圖5b、圖5c、圖5d、圖5e、圖5f）。冷晝日數在空間上差異較小，其中冷晝日數最小值出現在南部的江孜站和當雄站，最大值出現在東南部的察隅站（圖5a）。冷夜日數的分布在中部表現出幾個極低值點，分別為定日站、隆子站和察隅站，而最大值出現在西部的獅泉河站，為16.60 d，冷夜日數在空間上差異同樣不大（圖5b）。冰凍日數空間分布格局大體上呈由東南向西北依次增大的趨勢，空間差異較大，最小值出現在波密和察隅站，為0 d，最大值在安多站，為107.79 d（圖5c）。霜凍日數也表現出了由東南向西北依次增大的趨勢，最小值同樣出現在察隅站，為43.48 d，最大值也同樣出現在北部的安多站，為265.92 d（圖5d）。日最高氣溫極小值和日最低氣溫極小值空間變化趨勢與霜凍日數和冰凍日數的趨勢相反，表現為由東南向西北減小，最小值均出現在安多站，其值分別為-13.18 ℃和-28.81 ℃，最大值均出現在察隅站，其值分別為4.09 ℃和-3.60 ℃（圖 5e、圖5f）。

表2 1971—2018 年部分極端氣溫指標的季節變化趨勢

由1971—2018 年西藏極端高溫指標空間差異可以看出，6 個指標也出現了不同程度的變化（圖5g、圖5h、圖 5i、圖5j、圖 5k、圖5l）。暖晝日數在空間上差異不大，其中暖晝日數最小值出現在南部的波密站和林芝站，最大值出現在東部昌都站和中部的江孜站（圖5g）；暖夜日數變化范圍同樣不大，最小值同樣出現在南部的波密站和林芝站，最大值出現在中部的班戈站，且從東至西氣溫變化表現出逐漸變大的趨勢（圖5h）；夏日日數空間變化較為明顯，從南至北趨勢逐漸減小，其最大值和最小值相差72.7 d（圖5i）；對于氣溫日較差而言，最大值和最小值變化較為明顯，二者相差6.9 ℃，最小值出現在聶拉木、錯那和察隅站，而最大值出現在江孜站、隆子站和定日站（圖5j）；日最高氣溫極大值和日最低氣溫極大值空間變化較為一致，都表現出中部數值較低，東部數值較高，其極值分別相差14.0 ℃和10.9 ℃（圖5k、5l）。

3.2.2 極端氣溫指標變化趨勢與地理位置的關系由表3 可知，霜凍日數、夏日日數、日最高氣溫極小值和日最高氣溫極大值與經度呈顯著相關（P<0.05）；日最高氣溫極小值、冰凍日數和暖夜日數與緯度呈顯著相關（P<0.05）；各極端氣溫指標與海拔高度的相關性較為顯著，除冷晝日數、冷夜日數、暖晝日數和氣溫日較差與海拔高度沒有表現出明顯的相關性，其余極端氣溫指標均與海拔高度呈顯著（P<0.05）或極顯著相關（P<0.01）。

表3 西藏各項極端氣溫指標變化趨勢與地理位置的相關系數

4 討論

1971—2018 年西藏冷指標變暖幅度大于暖指標，冷指標與暖指標的變化表現出不對稱性，這與其他學者對西藏的研究一致［19，20］。西藏各項極端氣溫指標與中國大部分地區氣溫變化情況類似［21］，氣溫整體上表現出變暖的趨勢。

與全國相比，西藏極端氣溫指標變化速率遠高于全國水平，其中同期已有數據TX10p、TN10p、TX90p 和TN90p 變化速率分別是全國水平的3.0、3.3、3.4、2.3 倍［21］。黃土高原［7］、內蒙古［8］和貴州［9］的研究表明，伴隨海拔高度的增加，極端氣溫指標的變化更顯著。與黃土高原［7］、內蒙古［8］和貴州［9］極端氣溫指標變化相比，西藏 TX10p、TX90p、ID 變化速率是內蒙古的2.0 倍，FD 變化速率是內蒙古的1.5 倍；TXx 和TNx 變化速率與黃土高原相同，TXn 和TNn變化速率分別是黃土高原的10.0 倍和1.4 倍；FD、TX90p 和 SU25 分別是云貴高原的 3.1、1.3、2.0 倍，云貴高原僅TX10P 變化速率高于西藏，為西藏的1.7倍。這說明總體上西藏各極端氣溫指標相對于其他地區變化更快，極端氣溫指標的影響可能更為顯著。快速的氣候變化將會給西藏帶來一系列的影響，一方面可能誘發病蟲害、高溫熱害、干旱等問題，從而使農牧業生產變得更加脆弱和敏感，另外一方面可能引發冰崩、湖泊潰決等災害。

5 小結

1）1971—2018 年，西藏冷指標（TX10P、TN10p、ID、FD）表現出顯著的下降趨勢，暖指標（TX90p、TN90p、SU25、TXx、TNx）表現出顯著的上升趨勢，此外，DTR 呈下降趨勢，冷指標TXn 和TNn 雖呈下降趨勢，但與其他指標相比，其變化較為緩慢。其中，冷指標變暖幅度大于暖指標，冷指標與暖指標的變化表現出不對稱性。

2）通過 M-K 檢驗可知，1971—2018 年西藏極端氣溫指標發生突變的時間多集中于20 世紀90 年代至21 世紀初，且在此期間，后期變化趨勢高于前期，極端氣溫年代距平也同樣顯示，近20 年西藏極端氣溫升高較為顯著。

3）西藏極端氣溫指標在空間上表現出一定的差異，經度和緯度與大部分極端氣溫指標的關系不顯著。海拔與大多數極端氣溫指標具有顯著的相關性，其中ID、FD 和TN90p 與海拔呈顯著（P<0.05）或極顯著正相關（P<0.01），SU25、TXn、TNn、TXx 和TNx 與海拔呈極顯著負相關（P<0.01）。